DE3515659C1

DE3515659C1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE3515659C1
Application number: DE3515659A
Authority: DE
Inventors: Hans-Rainer 5068 Odenthal Brillert; Gerhard Dipl.-Ing. 5093 Burscheid Dück; Albin 5090 Leverkusen Mierbach
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: AE Goetze GmbH
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1985-05-02
Publication date: 1986-08-28
Also published as: US4957212A

Description

den, die eine Erhöhung der radialen Anpreßkraft infolge thermischer Längenänderung des Kolbenringes gegenüber der Zylinderwand erfahren. Diese Bereiche sind demgegenüber konstruktiv so auszulegen, daß sie bereits im [üinbau/.usland mit gegenüber dem Rcslflächcn- ^r> bereich reduzierter, radialer Anprcßkral'l an der Zylinderwand anliegen.

Wie vorab bereits angesprochen, weichen die Übergangsbereiche der Krümmungsradien in Abhängigkeit von der Form des Kolbenringes voneinander ab, so daß einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, je nachdem, ob es sich um einen elliptischen oder einen ovalen Kolbenring handelt, die Bereiche reduzierter, radialer Anpreßkraft einen Drehwinkelbereich zwischen 5 und 45° einschließen. Diese Bereiche sind beiderseits der Stoßenden des Ringes, um einen definierten Drehwinkel dazu versetzt sowie diesen diametral gegenüberliegend, angeordnet, wobei bei mittiger Lage des Stoßes im Bereich der langen bzw. kurzen Seite die Bereiche mit den kleinsten Krümmungsradien die größte radiale Anpreßkraft auf die Zylinderwand ausüben.

Die Kontur des vorgeschlagenen Kolbenringes wird, nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung, abweichend von der Lehre der US-PS 43 06 730, nicht empirisch ermittelt, sondern mathematisch festgelegt.

Die Krümmungsänderung des Kolbenringes zwischen nicht eingebautem und eingebautem Zustand soll folgender mathematischer Gleichung (Differentialgleichung) genügen:

v"

M ExI

Ak die Krümmungsänderung zwischen Einbauzustand und nicht eingebautem Zustand,

u,v kartesische Koordinaten des nicht eingebauten Zustandes (nach Auflösung der Differentialgleichung),

x,y kartesische Koordinaten des eingebauten Zustandes (nach Auflösung der Differentialgleichung),
das Moment, hervorgerufen durch den Anpreßdruck,

der Elastizitätsmodul,
das Flächenträgheitsmoment

30

35

40

I das Flächenträgheitsmoment

Bei runden Zylindern und den zugehörigen Kolbenringen ist eine thermische Längenänderung unproblematisch, da der Krümmungsradius über den Umfang konstant ist. Die Längenänderung muß hierbei lediglich im Stoßspiel berücksichtigt werden. Berechnungen von runden Kolbenringen zählen natürlich bereits zum Stand der Technik (z. B. DE-AS 10 21 666 oder DE-PS 8 42 742). Die hier gemachten Angaben lassen sich jedoch nicht auf von der Kreisform abweichende, insbesondere elliptische oder ovale Kolbenringe übertragen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Prinzipskizze eines elliptischen Kolbenringes im Einbauzustand mit Radialkraftverteilung,

Fig.2, 3 Formkurven eines elliptischen und eines ovalen Kolbenringes im nicht eingebauten und im eingebauten Zustand mit an unterschiedlichen Stellen gelegenem Stoß.

F i g. 1 zeigt einen elliptischen Kolbenring 1 im eingebauten Zustand. Der hier dargestellte Zustand ist analog auf einen ovalen Kolbenring mit im wesentlichen geradlinig verlaufenden Längsseiten zu übertragen.

Wie oben angesprochen, müssen Kolbenringe lichtspaltdicht sein. Daher ist die Kontur im freien Zustand auf mindestens 0,01 mm zu bestimmen. Dies ist nicht mehr empirisch möglich, sondern wird anhand der aufgeführten Formel mathematisch, d. h. durch numerische Integration durchgeführt. Eine nach dieser mathematischen Formel herstellbare Kontur ist in F i g. 1 dargestellt. Der Kolbenring 1 weist im mittleren Bereich seiner kurzen Seite 2 einen Stoß 3 auf. Bedingt durch die elliptische Kontur, weist der Kolbenring 1, in Umfangsrichtung gesehen, mehrere Krümmungsradien 4—11 auf. Die Übergangsbereiche 5, 7,9 und 11, die zwischen den Krümmungsradien 4, 6, 8 und 10 liegen, sind so geformt, daß sie im Einbauzustand eine verringerte radiale Anpreßkraft auf die nicht weiter dargestellte Zylinderwand ausüben. Diese verringerte Anpreßkraft soll auch im Betriebszustand, wenn auch nicht in der Weise wie im kalten Zustand, in jedem Fall aufrechterhalten bleiben, um einem erhöhten Verschleiß in diesen Bereichen entgegenzuwirken. Die Bereiche 5, 7, 9 und 11 verringerter Anpreßkraft erstrecken sich hier über einen Drehwinkel von etwa 30°. Dieses Maß verändert sich jedoch im Hinblick auf unterschiedliche Konturen des Kolbenringes 1 und ist von Fall zu Fall erneut festzulegen.

Ausgehend von den Stoßenden 12,13 des Kolbenringes 1, sind es die Bereiche 4, 6, 8 und 10, in Uhrzeigersinn gesehen, die, jeweils um 90° dazu versetzt, kleinste Krümmungsradien aufweisend, die größte radiale Anpreßkraft auf die Zylinderwand ausüben.

Die Fig.2 und 3 zeigen Prinzipskizzen von Kolbenringen, d. h. deren Formkurven, errechnet nach der vorabstehenden Gleichung, in nicht eingebauten Zustand 14,14' sowie in eingebauten Zustand 15,15'. Dargestellt ist aus Gründen der Übersicht lediglich die Mittellinie der pressungsoptimierten Kolbenringe 1. Wie bereits aufgezeigt, ist es unerheblich, welche von der Kreisform abweichende Kontur der Kolbenring 1 aufweist bzw. an welcher Seite des Ringes der Stoß 3 sich befindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

1 2 seinem langen Bereich dergestalt aufgeweitet, daß er im Patentansprüche: eingebauten, kalten Zustand (wieder auf Stoßspiel zu sammengedrückt) eine am gesamten Umfang gleichmä-

1. Selbstspannender Kolbenring für unrunde, ins- ßige, radiale Anpreßkraft auf die ihn umgebende Zylinbesondere ovale oder elliptische Kolbenzylinder, 5 derwand ausübt. Dies erfolgt durch Veränderung der dessen Krümmungsradien, in Umfangsrichtung ge- Krümmungsradien infolge mechanischer Verformung sehen, vor und nach der Montage derart voneinan- vor und während der Montage des Kolbenringes.

der abweichen, daß im Einbauzustand eine definierte Kolbenringe müssen bekannterweise lichtspaltdicht

Pressungsverteilung am Ringumfang erreichbar ist, sein, daher ist die Kontur im freien, d. h. nicht montier-

dadurch gekennzeichnet, daß die Über- io ten Zustand, auf mindestens 0,01 mm zu bestimmen. Bei

gangsbereiche (5,7,9,11) der Krümmungsradien des den im obengenannten US-Patent angesprochenen KoI-

Kolbenringes (1) im kalten Einbauzustand so ausge- benringen soll die Kontur empirisch aufgefunden wer-

bildet sind, daß sie eine gegenüber den Restumfangs- den. Bei den hierbei geforderten Genauigkeiten ist ein

bereichen (4, 6, 8, 10) verringerte radiale Anpreß- empirisches Ermittlungsverfahren der Formkurve des

kraft auf die Zylinderwand ausüben. 15 Kolbenringes im nicht eingebauten Zustand mit gleich-

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeitigem Rückschluß auf die radiale Anpreßkraft im einzeichnet, daß die eine verringerte radiale Anpreß- gebauten Zustand stark anzuzweifeln.

kraft auf die Zylinderwand ausübenden Bereiche (5, Darüber hinaus weist der angesprochene Kolbenring

7,9,11) je nachdem, ob es sich um einen elliptischen noch folgende Nachteile auf:

oder um einen ovalen Kolbenring (1) handelt, sich 20 Im motorischen Betrieb dehnen sich insbesondere über einen Drehwinkelbereich zwischen 5 und 45° ovale oder elliptische Kolbenringe stärker in Längsricherstrecken. tung aus als die sie umgebende Zylinderwand. Bei nied-

3. Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch rigen Temperaturen (Einbauzustand) wird eine begekennzeichnet, daß die Übergangsbereiche (5, 7,9, stimmte Stelle des Kolbenringes die Zylinderwand an 11) so ausgebildet sind, daß sie auch während des 25 einer anderen Umfangsstelle berühren als im warmen Betriebszustandes unter geringerer radialer An- Zustand (Betriebszustand). Kolbenring und Zylinderpreßkraft an der Zylinderwand anliegen als die Rest- wand verändern also ihre gegenseitige Lage in Abhänumfangsbereiche (4,6,8,10) des Kolbenringes (1). gigkeit von der Temperatur. Daraus resultiert bei einem

4. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- Kolbenring, wie ihn die US-PS 43 06 730 beschreibt, eidurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsände- 30 ne Erhöhung der radialen Anpreßkraft in bestimmten rung des Kolbenrings (1) zwischen nicht eingebau- Umfangsbereichen, wodurch sich letztendlich ein crtem und eingebautem Zustand folgender mathema- höhter Verschleiß mit dem Resultat einer nur geringen tischer Gleichung genügt: Lebensdauer des Kolbenringes einstellt. Je nach Kontur

des Kolbenringes kann die thermische Längenänderung

Ak= ^v" - -^v" = ^ ^{35 auc}'^{1 e}'^ne derartige Verformung im Übergangsbereich

~ (i_+v'2)."·/: (j_+v/2)2/3 £_xj ' d_er Krümmungsradien bewirken, daß der Ring hier

lichtspaltundicht, d.h. für das abzudichtende Medium worin durchlässig wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

Ak die Krümmungsänderung zwischen Einbauzu- 40 darin, bei einem gattungsgemäßen Kolbenring im Bestand und nicht eingebautem Zustand, triebszustand Stellen am Ringumfang mit erhöhter Flä- u,v kartesische Koordinaten des nicht eingebauten chenpressung zu vermeiden und damit einem partiell Zustandes (nach Auflösung der Differentialglei- erhöhten Verschleiß entgegenzuwirken, chung), Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, x,y kartesische Koordinaten des eingebauten Zu- 45 daß die Übergangsbereiche der Krümmungsradien des Standes (nach Auflösung der Differentialglei- Kolbenringes im kalten Einbauzustand so ausgebildet chung), sind, daß sie eine gegenüber den Restflächenbereichen M das Moment, hervorgerufen durch den Anpreß- verringerte radiale Anpreßkraft.auf die Zylinderwand druck, ausüben. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, E der Elastizitätsmodul und 50 daß im Betriebszustand unter thermischer Belastung / das Flächenträgheitsmoment trotz erhöhter Längenänderung des Kolbenringes im

Verhältnis zur Kolbenzylinderwand keine kritischen

ist. Stellen am Ringumfang geschaffen werden, die einer

erhöhten Anpressung ausgesetzt sind und somit keinen

55 daraus resultierenden erhöhten Verschleiß in diesen Bereichen hervorrufen.

Die eine gegenüber dem Restflächenbereich verrin-

Die Erfindung betrifft einen selbstspannenden KoI- gerte radiale Anpreßkraft auf die Zylinderwand ausbenring für unrunde, insbesondere ovale oder elliptische übenden Bereiche sind vorzugsweise dort angeordnet, Kolbenzylinder, dessen Krümmungsradien, in Umfangs- ω) wo die unterschiedlichen Krümmungsradien des Ringrichtung gesehen, vor und nach der Montage derart umfanges ineinander übergehen. Bei rein elliptischen voneinander abweichen, daß im Einbauzustand eine de- Kolbenringen findet zwischen der langen und der kurfinierte Pressungsverteilung am Ringumfang erreichbar zen Seite ein allmählicher Übergang zwischen den beiist, den Hauptkrümmungsradien statt, wohingegen bei ei-Durch die US-PS 43 06 730 ist bereits ein ovaler oder 65 nem ovalen Kolbenring mit im wesentlichen abgeflachelliptischer Kolbenring der angesprochenen Galtung ten Längsseiten der Übergang zwischen Krümmungsrabekannt. Der Kolbenring, dessen Stoß vorzugsweise im dius und Abflachung liegt. Hier sind im wesentlichen die kurzen Bereich vorgesehen ist, wird vor der Montage in kritischen Stellen am Umfang des Kolbenringes zu fin-